CN102980785B - 一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置 - Google Patents

Abstract

一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，包括底板、升降机构、角度调节机构和推力加载机构；升降机构位于底板上，升降机构上端连接角度调节机构，用于驱动角度调节机构的升降；角度调节机构包括支撑板、滑动面板、螺杆、套筒和水平旋钮，支撑板与升降机构的上端连接，支撑板的前端与滑动面板的前端铰接，螺杆支设于支撑板的后端，螺杆上部套有套筒且二者螺纹连接，螺杆的下端与水平旋钮的端部通过锥齿轮啮合，用于通过水平旋钮的旋转带动螺杆转动，套筒的顶端铰接有滑动连接块，滑动连接块与滑动面板的底面后部接触；推力加载机构包括用于承载重物的加载平台，加载平台的底面与滑动面板的顶面滑动配合、可沿滑动面板前后滑动。

Description

一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置

技术领域

本发明属于地质灾害模型试验领域，具体地指一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置。

背景技术

滑坡物理模型试验属于地质力学模型试验的范畴，其理论起源于20世纪初期建立的结构模型试验，目前已逐渐发展并延伸出了滑坡现场模型试验、滑坡底摩擦模型试验、滑坡框架式模型试验、滑坡离心模型试验和滑坡综合模型试验等诸多研究方向。其中，滑坡框架式模型试验是指在通常的重力场内，通过在框架模型槽内采用满足相似判据的相似材料制作模型，在模型满足主要边界条件相似的情况下测量其变形和各力学特性参数。该试验既能直观地观察到滑体在滑动过程中的运动特征，也能定量地获得滑坡的应力、应变、位移等参数，可从定性和定量的角度阐明滑坡孕育和演化的机制。

在滑坡框架式模型试验条件下，滑坡物理模型一般是在外力作用条件下发生变形或破坏。外力作用的主要方式有：机械震动或爆破形式模拟的地震波；改变框架内部水位高度模拟库水位波动造成的渗流作用；降雨模拟器模拟降雨条件下的渗流作用；人工堆载的方式在滑坡物理模型后缘提供滑坡推力；在滑坡后缘布置钢板，并在液压千斤顶或MTS液压伺服推力装置作用下施加滑坡推力等。

其中，对于滑坡物理模型后缘施加推力的方式还存在如下局限或缺陷：

（1）现有滑坡物理模型后缘的推力加载与控制系统往往结构复杂、操作繁琐，难以满足快速、稳定、持续的滑坡后缘推力加载要求；

（2）现有采用人工堆载的方式虽然可以在滑坡后缘施加稳定的作用力，但对滑坡推力的大小及方向难以精确控制，所施加外力的边界条件与实际情况不符。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种滑坡物理模型试验手动抬升自重加载装置，能够方便、快速地调整滑坡物理模型后缘加载推力的大小和方向，使施加的推力与滑坡实际边界条件相符合，且加载力稳定持久。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，包括底板、升降机构、角度调节机构和推力加载机构；所述升降机构位于底板上，升降机构上端连接角度调节机构，用于驱动角度调节机构的升降；所述角度调节机构包括支撑板、滑动面板、螺杆、套筒和水平旋钮，支撑板与升降机构的上端连接，支撑板的前端与滑动面板的前端铰接，所述螺杆支设于支撑板的后端，螺杆上部套有套筒且二者螺纹连接，螺杆的下端与水平旋钮的端部通过锥齿轮啮合，用于通过水平旋钮的旋转带动螺杆转动，所述套筒的顶端铰接有滑动连接块，滑动连接块与滑动面板的底面后部接触、起支撑滑动面板的作用；所述推力加载机构包括用于承载重物的加载平台，加载平台的底面与滑动面板的顶面滑动配合、可沿滑动面板前后滑动。

上述技术方案中，所述升降机构包括一对相互啮合的齿条和齿轮、传动轴、相互啮合的蜗轮和蜗杆、摇柄、至少一对支撑条以及导向座，所述导向座固定于底板上，导向座的前部和后部分别设有竖向的导向槽，所述齿条和支撑条分别位于导向槽内，一对齿轮与蜗轮通过所述传动轴设置在导向座上，蜗杆与摇柄连接，用于在摇柄的带动下转动，所述支撑板与齿条和支撑条的顶端连接，用于通过齿条的升降驱动支撑板升降。

进一步地，所述相互啮合的蜗轮和蜗杆满足自锁条件。

上述技术方案中，所述加载平台的底面为光滑面，所述滑动面板的顶面两侧设有边棱，用于加载平台的导向，两个边棱分别设有一列孔且孔两两相对，相对的两孔内设置有滑杆，加载平台的底面与滑动面板的顶面通过所述滑杆滑动配合。

上述技术方案中，所述加载平台的后端设有插锁，用于加载平台与滑动面板的临时固定。

上述技术方案中，所述滑动面板的底面开有限位槽，所述滑动连接块位于限位槽内，用于滑动连接块的导向。

上述技术方案中，所述支撑板中后部开有滑槽，滑槽内设有滑块，滑槽的一侧开有一列小孔，用于通过滑块上设置的小插锁固定滑块，所述螺杆和水平旋钮设置在滑块上，用于通过滑块在滑槽内的前后移动调整螺杆位置。

上述技术方案中，所述螺杆和套筒满足自锁条件。

上述技术方案中，所述支撑板前端与滑动面板铰接处安装有角度刻度盘，用于支撑板和滑动面板之间夹角的读数。

上述技术方案中，所述底板下方设有若干行走轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）该加载装置可应用于滑坡框架式模型试验，通过后缘自重式可控加载模拟滑坡内部推力，实现滑坡非完整地质力学模型的研究，极大的减少了完整地质力学模型的制作强度；

（2）该加载装置完全由手动调节实现，结构简单，易于操作，成本低廉；

（3）该加载装置通过一组齿轮齿条结构和一个螺杆套筒结构实现了加载高度和加载角度的连续、精确、持续控制，使得施加的推力与实际边界条件符合良好；

（4）该加载装置适用于不同高度下进行的滑坡物理模型推力加载，针对不同滑面高度的滑坡模型无需逐一制作不同高度的加载装置；

（5）该加载装置适用于不同滑面角度的滑坡物理模型，无需逐一制作不同角度的加载装置；

（6）该加载装置中加载平台的底面与滑动面板上的滑杆滑动配合使用，极大的减小了加载平台下滑过程中的摩擦阻力作用，有效地将自重荷载转换成推力；

（7）该加载装置中加载平台的后端设有插锁，便捷地实现了加载平台与滑动面板的临时固定；

（8）该加载装置作为一个独立体系，与滑坡物理模型框架分离，耐用性好、可重复使用；

（9）由于该装置构件强度高、刚度大，构件偶尔出现破坏的可能性非常小，即便出现破损，也易于修理或更换；

（10）底板下方行走轮的设置，便于整个装置的移动及运输；

（11）该自重加载装置可广泛运用于包括岩土质滑坡、边坡等类型的地质力学模型试验中的推力加载，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一个实施例的立体结构示意图。

图2为图1装置的主视图。

图3为图1装置的后视图。

图4为图1装置的右视图。

图5为图1装置旋转后的俯视图。

图6为图1装置应用于滑坡框架式模型试验时的使用状态示意图。

图中：1—插锁，2—滑动面板，3—加载平台，4—滑动连接块，5—滑杆，6—套筒，7—螺杆，8—水平旋钮，9—支撑板，10—轴承，11—滑块，12—小插锁，13—支撑条，14—齿条，15—传动轴，16—蜗轮，17—齿轮，18—侧面轴承端盖，19—端面轴承端盖，20—摇柄，21—导向座，22—底板，23—行走轮，24—蜗杆，25—试验框架，26—滑床，27—滑体，28—滑带。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1至图5所示，本发明的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，包括底板22、升降机构、角度调节机构和推力加载机构，具体来说。

底板22下方设有四个行走轮19，以便整个装置的移动。

升降机构位于底板22上，本实施例的升降机构包括一对相互啮合的齿条14和齿轮17、传动轴15、相互啮合的蜗轮16和蜗杆24、摇柄20、一对支撑条13以及导向座21。导向座21固定于底板22上，导向座21的前部和后部分别设有两个竖向的导向槽，一对齿条14位于导向座21后部的导向槽内，一对支撑条13位于导向座21前部的导向槽内。一对齿轮17和蜗轮16共同固定在一根传动轴15上，传动轴15则通过轴承支设在导向座21上、可绕其轴线转动。蜗杆24与摇柄20连接，可在摇柄20的带动下转动。

本实施例的角度调节机构包括支撑板9、滑动面板2、螺杆7、套筒6和水平旋钮8。支撑板9与上述升降机构的两齿条14和两支撑条13顶端连接，通过齿条14的升降驱动支撑板9升降。支撑板9的前端与滑动面板2的前端铰接，支撑板9中后部开有滑槽，滑槽内设有滑块11，滑槽的一侧开有一列小孔，用于通过滑块11上设置的小插锁12固定滑块11，上述螺杆7的下端和水平旋钮8设置在滑块11上，通过滑块11在滑槽内的前后移动能够调整螺杆7位置。螺杆7的下端与水平旋钮8的端部通过锥齿轮啮合，通过水平旋钮8的旋转可带动螺杆7转动。螺杆7上部套有套筒6且二者螺纹连接，套筒6的顶端铰接有滑动连接块4，滑动面板2的底面开有限位槽，该滑动连接块4位于限位槽内、起导向作用。当螺杆7转动时，带动套筒6升降，滑动连接块4在限位槽内滑动，从而使滑动面板2与支撑板9之间的夹角改变。为确保滑动面板2与支撑板9之间夹角的保持，螺杆7和套筒6满足自锁条件，具备自锁功能。类似地，上述升降机构中相互啮合的蜗轮16和蜗杆24也最好满足自锁条件。此外，在支撑板9前端与滑动面板2铰接处安装有角度刻度盘（图中未示意出），用于支撑板9和滑动面板2之间夹角的读数。

本实施例的推力加载机构包括用于承载重物的加载平台3，加载平台3底面的倾角应与滑坡模型的滑带27倾角相同。加载平台3的底面为平整光滑面，上述滑动面板2的顶面两侧设有边棱，起导向作用，两个边棱分别设有一列孔且孔两两相对，相对的两孔内设置有滑杆5，加载平台3的底面与滑动面板2的顶面通过这些滑杆5滑动配合。加载平台3的顶面呈水平面或者凹状，用于承载经标定重量后的物体，使之在自重条件下随加载平台3一起沿滑动面板2下滑，通过加载平台3前面板作用在滑坡模型上，并以上覆堆载的重力沿着滑动面板2水平方向的分量提供相应的水平荷载。在加载平台3的后端还设有插锁1，用于装置使用前加载平台3与滑动面板2的临时固定。

如图6所示，将本发明应用于滑坡框架式模型试验的大致过程为：

一、前期准备

1、针对研究需求，依据相似原理，拟定概化后的滑坡相似模型；以相似材料试验结果为标准，分别配制滑床25、滑带27、滑体26相似材料。根据拟定的滑坡相似模型空间形态采用配制均匀、含水率恒定的相似材料制作滑坡模型；

2、测量滑坡模型后缘滑带27的倾角，制作对应的加载平台3；

二、装置的调节与固定

3、将本发明的加载装置推至指定位置，并正对滑坡后缘，将加载装置底板22下方的行走轮23锁死固定；

4、通过转动摇柄20，使支撑板9上升，此时滑动面板2前端与滑坡模型后缘滑带27高度一致，支撑板9高度因蜗轮16蜗杆24自锁而临时固定；

5、先通过移动滑块11对滑动面板2的角度进行粗调，其固定通过小插锁12实现，再调节水平旋钮8进行微调，在此过程中可通过安装在支撑板9端部铰接处的角度刻度盘读取滑动面板2的倾角，当滑动面板2所形成的倾角与滑坡后缘滑带27倾角一致时停止微调；

三、推力加载

6、标定加载平台3重量，并根据推力加载需要，称量所需要的重物；

7、安装加载平台3；

8、打开加载平台3后部的插锁1，手扶加载平台3使其缓慢下滑直至与滑坡后缘接触后，松开双手；

9、在加载平台3上，竖直、缓慢放置标定好的重物，直至滑坡变形或破坏。需要注意的是，为避免加载过程中滑体26从加载平台3上部挤出，加载平台3的顶面应当不低于滑体26顶面高度，相应的，在制作加载平台3时，可适当提高其竖直加载面的高度；

四、试验结束

10、先卸除加载平台3上堆载的重物，然后将加载平台3卸除；

11、反转摇柄20使支撑板9下降；

12、松开底板22下方行走轮23的制动，将本推力加载装置移动至指定地点。

本发明的核心在于升降机构和滑动面调节机构的设置，使得采用自重加载的推力大小和方向连续、精确可调，并使施加的推力与滑坡实际边界条件相符合，且加载力稳定。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：升降机构不限于实施例所述的齿轮17齿条14驱动加蜗轮16蜗杆24传动结构，采用其他常规结构，用于支撑板9的可控升降也是可行的；加载平台2和滑动面板3之间的滑动配合方式不限于实施例中的平整光滑面和滑杆4的结构，只要便于二者的相对前后滑动即可等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：包括底板（22）、升降机构、角度调节机构和推力加载机构；所述升降机构位于底板（22）上，升降机构上端连接角度调节机构，用于驱动角度调节机构的升降；所述角度调节机构包括支撑板（9）、滑动面板（2）、螺杆（7）、套筒（6）和水平旋钮（8），支撑板（9）与升降机构的上端连接，支撑板（9）的前端与滑动面板（2）的前端铰接，所述螺杆（7）支设于支撑板（9）的后端，螺杆（7）上部套有套筒（6）且二者螺纹连接，螺杆（7）的下端与水平旋钮（8）的端部通过锥齿轮啮合，用于通过水平旋钮（8）的旋转带动螺杆（7）转动，所述套筒（6）的顶端铰接有滑动连接块（4），滑动连接块（4）与滑动面板（2）的底面后部接触、起支撑滑动面板（2）的作用；所述推力加载机构包括用于承载重物的加载平台（3），加载平台（3）的底面与滑动面板（2）的顶面滑动配合、可沿滑动面板（2）前后滑动；所述加载平台（3）的后端设有插锁（1），用于加载平台（3）与滑动面板（2）的临时固定。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述升降机构包括一对相互啮合的齿条（14）和齿轮（17）、传动轴（15）、相互啮合的蜗轮（16）和蜗杆（24）、摇柄（20）、至少一对支撑条（13）以及导向座（21），所述导向座（21）固定于底板（22）上，导向座（21）的前部和后部分别设有竖向的导向槽，所述齿条（14）和支撑条（13）分别位于导向槽内，一对齿轮（17）与蜗轮（16）通过所述传动轴（15）设置在导向座（21）上，蜗杆（24）与摇柄（20）连接，用于在摇柄（20）的带动下转动，所述支撑板（9）与齿条（14）和支撑条（13）的顶端连接，用于通过齿条（14）的升降驱动支撑板（9）升降。

3.根据权利要求2所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述相互啮合的蜗轮（16）和蜗杆（24）满足自锁条件。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述加载平台（3）的底面为光滑面，所述滑动面板（2）的顶面两侧设有边棱，用于加载平台（3）的导向，两个边棱分别设有一列孔且孔两两相对，相对的两孔内设置有滑杆（5），加载平台（3）的底面与滑动面板（2）的顶面通过所述滑杆（5）滑动配合。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述滑动面板（2）的底面开有限位槽，所述滑动连接块（4）位于限位槽内，用于滑动连接块（4）的导向。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述支撑板（9）中后部开有滑槽，滑槽内设有滑块（11），滑槽的一侧开有一列小孔，用于通过滑块（11）上设置的小插锁（12）固定滑块（11），所述螺杆（7）和水平旋钮（8）设置在滑块（11）上，用于通过滑块（11）在滑槽内的前后移动调整螺杆（7）位置。

7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述螺杆（7）和套筒（6）满足自锁条件。

8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述支撑板（9）前端与滑动面板（2）铰接处安装有角度刻度盘，用于支撑板（9）和滑动面板（2）之间夹角的读数。

9.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种滑坡物理模型试验手动抬升式自重加载装置，其特征在于：所述底板（22）下方设有若干行走轮（23）。